DE69402329T2 - Rotationsflügelzellenverdichter - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein wachsendes spezielles Gebiet einer Rotationsflügelmaschine, bei welcher die Radialbewegung der Flügel mit Bezug auf eine Statorbohrung gesteuert wird, um ein kontaktloses Abdichten zwischen Flügelspitzen und der Statorbohrung als Ergebnis eines Zusammenwirkens des Radius der Flügelerstreckung und der Statorbohrung zu erreichen. Bezug genommen wird auf die US-PS 5,087,183 und US-PS 5,160,252; auf die dort offenbarte technische Information und einige der technischen Prinzipien wird zum Verständnis der vorliegenden Erfindung Bezug genommen.
• Es wird Bezug genommen auf das australische Patent AU-B-59 1,065, in welchem eine Fluidpumpe der Art gezeigt ist, die einen rotierenden Gleitflügel aufweist. Diese Pumpe umfaßt eine Hauptwelle, die exzentrisch in einer allgemein zylindrischen Kammer innerhalb eines Gehäuses gelagert ist, das von einer Umfangsgehäusewand und gegenüberliegenden Gehäuseendwänden definiert ist, einen allgemein zylindrischen Kolben, der an der Hauptwelle angeordnet und daran innerhalb der zylindrischen Kammer des Gehäuses befestigt ist und wenigstens einen Radialflügel aufweist, der daran zwecks Erstreckung über den Kolbenumfang hinaus gleitbar angeordnet ist, eine Flügelsteuereinrichtung, die drehbar an einer stationären Stummelachse innerhalb einer zylindrischen Ausnehmung in jeder der gegenüberliegenden Flächen der Gehäuseendwände und koaxial zu der zylindrischen Kammer angeordnet ist, eine einstellbare Dichteinrichtung, die in der Umfangsgehäusewand derart angeordnet ist, daß der Kolbenumfang die Dichteinrichtung berührt und mit ihr den Kontakt während der Rotation der Hauptwelle aufrechterhält, wobei der äußere radiale Endabschnitt des Radialflügels (der Flügel) die Innenfläche der sichelförmigen Kammer berührt und den Kontakt aufrechthält, welche von der zylindrischen Kammer und dem Kolbenumfang während der Rotation der Hauptwelle gebildet ist, so daß eine Rotation der Hauptwelle und des Kolbens und des Radialflügels (der Flügel) die Flügelsteuereinrichtung rotieren läßt, so daß dadurch eine Arbeitskammer variabler Kapazität auf jeder Seite der einstellbaren Dichteinrichtung in der Umfängsgehäusewand innerhalb der sichelförmigen Kammer von dem Abschnitt des (der) sich von dem Kolbenumfang erstreckenden Radialflügels (flügel) geschaffen wird, wobei eine der Arbeitskammern variabler Kapazität mit einer Einlaßöffnungseinrichtung den Fluideinlaß bewerkstelligt und die andere der Arbeitskammern variabler Kapazität mit einer Ausgangsöffnungseinrichtung den Fluidauslaß bewerkstelligt. Die Flügelsteuereinrichtung nach der AU-B- 591,065 umfaßt ein Paar ringförmiger Steuerringe, die von einem Paar oder einer Vielzahl von Distanzwellen voneinander in Abstand gehalten und an einem Paar der stationären Stummelachsen mit einer gemeinsamen Achse drehbar angeordnet sind, wobei eine der stationären Stummelachsen an jeder Seite des Kolbens und damit exzentrisch angeordnet ist, wobei sich die Hauptwelle durch eine Bohrung in jeder der stationären Stummelachsen mit geeignetem Spiel erstreckt, wobei sich eine oder mehrere des Paares der Distanzwellen durch eine Bohrung durch den inneren radialen Endabschnitt eines entsprechenden oder mehrerer der Radialflügel erstrecken, so daß die Erstreckung des (der) äußeren radialen Endabschnittes (e) des Radialflügels (der Flügel) von und zu dem Kolbenumfang gesteuert wird, wobei sich die andere Welle des Paares der Distanzwellen durch eine geeignete Öffnungseinrichtung durch den Kolben erstreckt, so daß der Flügelsteuereinrichtung gestattet ist, dem Kolben zu folgen und sich mit ihm zu drehen.
• Herkömmliche und elementare Gleitrotationsflügelmaschinen unterscheiden sich von nahezu allen anderen Fluidverdrängungsmaschinen in ihrer besonderen Einfachheit. Die bekannten Maschinen zeichnen sich dadurch aus, daß sie einen relativ schlechten Wirkungsgrad haben. Wie es bekannt ist, wird dieser schlechte Wirkungsgrad durch mechanische und gasdynamische Maschinenreibung verursacht.
• Die Anwendung der Prinzipien und einzigartigen Konzepte in den obigen Patenten erwies sich als erfolgreich und übertraf die Erwartungen. Jedoch kann es schwierig sein, derartige Konzepte auf Verdichtervorrichtungen mit sehr kleinem Durchmesser anzuwenden. Die Erfindung schafft ein Konzept, welches ohne Beschränkung insbesondere auf Maschinen geringer Größe anwendbar ist.
• Die Erfindung ist durch Verwendung lediglich eines einzigen Drehflügels charakterisiert. Die Einflügelmaschine ist im Gegensatz zu Mehrfachflügelausbildungen nach den obigen Patenten speziell, weil herkömmliche Doppellaufbahn-Rollenlager verwendet werden können, um die radiale berührungslose Anordnung des Einfachflügels zu steuern. Bei den Mehrfachflügelausbildungen nach den obigen Druckschriften sind die radialen und tangentialen Geschwindigkeiten des Flügels mit Bezug zueinander konstant variierend und erfordern demzufolge die Verwendung spezieller segmentierter Lager, die es gestatten, daß jeder Flügel die Geschwindigkeit unabhängig vom andern ändert. Das erfindungsgemäße Konzept ist teilweise dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Einrichtung geschaffen ist, so daß der sich drehende Rotor und der Flügel dynamisch ausgeglichen sind. Dieses Konzept anwendende Verdichter sind äußerst einfach im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen. Weiterhin zeichnen sie sich durch sehr geringe mechanische Reibung und ausgezeichnete Gasdichtung aus und sind demzufolge hinsichtlich der Energieumwandlung sehr wirksam.
• In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform, wobei eine Endplatte entfernt ist, um den Rotor und seinen einzigen Gleittlügel, das Statorgehäuse und die Bohrung darin freizulegen,
• Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei Teile im Schnitt gezeigt sind,
• Fig. 3 eine Endansicht des Rotors,
• Fig. 4 eine eines Paares von Antifriktion-Radialflügelführungsanordnungen zusammen mit einem Flügel,
• Fig. 5A eine Schnittansicht eines Lagers mit einem inneren Laufring und einem äußeren Laufring,
• Fig. 5B einen besonderen Einsatz zum Zusammenbau mit dem Lager nach Fig. 5A,
• Fig. 5C die Lageranordnung,
• Fig. 6 eine Endansicht einer modifizierten Flügelführungsanordnung mit daran befestigtem Flügel einer modifizierten Ausbildung.
• In der Zeichnung ist eine Fluidverdrängungsvorrichtung mit einem einzigen Flügel gezeigt, die ein Statorgehäuse 10 mit dadurch verlaufender zylindrischer Bohrung 12 umfäßt, wobei die Bohrung 12 einen gewählten Durchmesser und eine gewählte Längsachse 12' aufweist. Die Bohrung 12 weist weiterhin eine gewählte Longitudinallänge 12L und eine allgemein durchgehende innere Oberfläche 12S auf, die um die Längsachse 12' konzentrisch gekrümmt ist.
• Es ist eine Einrichtung zum Verschließen der Enden der Bohrung 12 vorgesehen. Die in der Zeichnung gezeigte bevorzugte Ausführungsform weist an jedem Ende der kreisförmigen Bohrung erste und zweite Statorendplatten 13 und 15 auf, um einen Raum innerhalb des Gehäuses zu definieren und zu umgeben.
• Eine Rotorwelle 26, welche einen Rotor 14 trägt, ist exzentrisch in der Bohrung 12 angeordnet und von Lagereinrichtungen 28 und 28A in den Endplatten 13 bzw. 15 zwecks Rotation um eine Rotorwellenachse 26' abgestützt, welche parallel zu, jedoch in einem gewählten Abstand von der Längsachse 12' verläuft. Der Abstand zwischen der Längsachse 12' und der Rotorachse 26' ist deutlich in Fig. 1 ebenso wie die Exzentrizität des Rotors 14 in bezug auf die innere Oberfläche 12S des Statorgehäuses 10 gezeigt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist der Rotor 14 einen Durchmesser auf, der so gewählt ist, daß wenn er an der Welle 26 angeordnet ist, die Oberseite des Rotors 12 in Kontakt mit der inneren Oberfläche 12S der Bohrung ist; dies ist durch die Bezugsziffer 40 angedeutet. Ein anderer Weg der Definition des Vorgehenden ist das Betrachten einer Ebene 17, welche beide Achsen 12' und 26' einschließt (wobei diese Achsen parallel zueinander sind); die so definierte Ebene 17 ist senkrecht zur Papierebene in Fig. 1 und schließt, wie dies gezeigt ist, die Achsen 12' und 26' ein. Demzufolge erstreckt sich die Ebene 17 durch den Punkt am Umfang des Rotors 14, wie dies durch die Bezugsziffer 40 in Fig. 1 angezeigt ist.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 5A, 5B und 5C ist die Antifriktionsführungsanordnung des Radialflügels durch die Bezugsziffer 21 angezeigt. Sie umfaßt ein herkömmliches Wälzlager 19 mit einem äußeren Laufring 19-O, einem inneren Laufring 19-I und einer Vielzahl von dazwischen vorgesehenen Elementen 19-R. Die Antifriktionselemente 19R können Kugeln (wie gezeigt) oder Rollen oder andere Anordnungen sein, wie dies bekannt ist. Das Lager 19 weist einen Außendurchmesser 19-OD und einen Innendurchmesser 19-ID auf. Ein besonderer Einsatz 20 ist vorgesehen, der in dem Lager 19 aufzunehmen ist. Insbesondere umfaßt der in Fig. 5B gezeigte Einsatz 20 einen Hauptkörperabschnitt mit einem Außendurchmesser 20', der so gewählt ist, daß das Element 20 in den inneren Laufring des Lagers 19 paßt, wie dies deutlich in Fig. 5C gezeigt ist. Das Teil 20 weist weiterhin einen sich radial erstreckenden Flansch 20" auf, der sich über die Umfangsfläche 20' hinauserstreckt, um eine Schulter zu definieren, gegen welche das Lager 19 anliegt, wie dies in Fig. 5C gezeigt ist.
• Der besondere Einsatz 20 umfaßt weiterhin eine Bohrung 20''', die sich durch ihn longitudinal erstreckt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, um eine Achse 22 aufzunehmen, die in Fig. 1 und 2 gezeigt ist.
• In Fig. 4 ist die Flügelführungsanordnung 21 zusammen mit einem befestigten Flügel 18 im Schnitt gezeigt, wobei der Flügel 18 auf der Achse 22 drehbar angeordnet ist. Alternativ kann die Achse 22 in bezug auf den Flügel 18 fixiert sein, während sie in der Bohrung 20''' drehbar abgestützt ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Achse 22 von dem Bauteil 20 in der Endplatte 13 konzentrisch zu der Längsachse 12' und mit dem anderen Ende in einem entsprechenden Bauteil 20A in der Endplatte 15 abgestützt ist.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist erkennbar, daß das Bauteil 20 um die Längsachse 12' nicht symmetrisch ist; insbesondere ist ein Ausgleichabschnitt oder Gewicht 24 diametral der Bohrung 20''' gegenüberliegend vorgesehen (d.h. der Punkt für die Verbindung mit der Achse 22).
• Die Endansicht des Rotors 14 ist in Fig. 3 gezeigt. Die Rotorwelle 26 paßt in die zweckmäßige Mittelbohrung 14" des Rotors, und eine geeignete Einrichtung wie beispielsweise Keile 26''' sind vorgesehen, so daß sich der Rotor mit der Welle 26 dreht, die von einer nicht gezeigten externen Einrichtung gedreht werden kann.
• Wie ebenfalls in Fig. 3 gezeigt ist, erstreckt sich ein Schlitz 16 im Rotor 14 radial von der Achse 26' mit einer vorgewählten Schlitzbreite (d.h. der geradlinige Abstand zwischen den beiden Seiten 16' und 16" des Schlitzes) und endet am Außenumfang 14' des Rotors. Der Schlitz 16 erstreckt sich über die gesamte longitudinale Länge des Rotors 14 (d.h. von einem axialen Ende zu dem anderen).
• Der Rotor 14 weist ein Gegengewichtloch oder eine Öffnung 42 auf, die sich vorzugsweise über das gesamte longitudinale Ausmaß oder die Länge des Rotors von einem Axialende zum anderen erstreckt. Wie gezeigt ist, weist die Öffnung 42 eine bogenförmige Form auf, deren effektive Massenträgheitsmomentmitte der effektiven oder Mittelachse des Schlitzes 16 exakt diametral gegenüberliegend liegt. Wie für den Fachmann verständlich ist, unterstützt die Öffnung 42 die Funktion des Schaffens eines dynamischen Gleichgewichtes für die sich drehende Anordnung, welche den Rotor, den Flügel 18, und die beiden Flügelführungsanordnungen und die Achse 22 umfaßt.
• Der Flügel 18 ist in Fig. 1 und 4 gezeigt und weist einen im allgemeinen rechteckigen Querschnitt auf, und er weist nach Fig. 2 eine longitudinale Lange auf, die im wesentlichen gleich der longitudinalen Länge der Bohrung ist. Der Flügel ist, wie dies gezeigt ist, an der von den Bauteilen 20 und 20a getragenen Achse schwenkbar angeordnet. Der Radius der Spitze bzw. des freien Endes des Flügels 18 ist in Fig. 1 und 4 mit 18a bezeichnet. Die bogenförmige Breite des Flügels 18 ist so gewählt, daß der Flügel innerhalb des Schlitzes 16 des Rotors frei vorwärts und rückwärts gleiten kann.
• Weiterhin ist der Spitzenradius in bezug auf den gewählten Durchmesser der Bohrung des Stators und des Abstandes der Achse 22 von der longitudinalen Achse 12' gewählt. Es wurde herausgefunden, daß ein sehr nützlicher Spielraum zwischen der Fläche oder der Spitze 18a des Flügels und der inneren Oberfläche 12S der Bohrung im Bereich von 0,0508 mm (0,002 inch bis 0,1016 mm (0.004 inch) liegt. Dieser Spielraum bzw. Abstand ergibt ausgezeichnete Betriebsergebnisse, während die Herstellungskosten der Einheit relativ gering sind.
• Eine Gaseinlaßeinrichtung 30 an dem Gehäuse 10 (rechts von der Ebene 17, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist) ist mit einer Gassaugleitung 32 verbunden, die in dem Gehäuse von der Bohrung 12 ausgespart ist. Wenn sich der Rotor 14 (im Uhrzeigerdrehsinn, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist) um die Rotorachse 26' dreht, tritt Sauggas in die Vorrichtung am Einlaßdurchgang 30 ein. Dieses Gas strömt dann in den Saugleitungsbereich 32 und weiter an der hinteren Kante 32a des Bereiches 32 vorbei in den sich ausdehnenden Saugraum 34 hinter dem Flügel 18.
• Das Gasvolumen (dargestellt durch die Bezugsziffer 36) vor dem sich drehenden Flügel 18 nimmt in seiner Größe ab, wenn sich die Rotorflügelanordnung weiter dreht. Wenn der Druck innerhalb des sich verdichtenden Volumens 36 etwas den Druck übersteigt, mit welchem das komprimierte Gas zu entladen ist, strömt das Gas aus dem Verdichter durch einen Ausgangsdurchgangsleitungsbereich 38, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, der links von der Ebene 17 liegt, und aus dem Bereich 38 zu einem Sumpf Z, der innerhalb einer schalenartigen Endkappe C mit einem Auslaßdurchgang 50 ausgebildet ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Da das vorhandene Gas in den relativ großvolumigen Sumpfraum oder den Bereich Z strömt, wird das Gas schnell langsamer. Ein flüssiges Schmiermittel, das in dem Gasstrom eingefangen ist, neigt demzufolge zur Anhäufung und fällt unter der Wirkung der Schwerkraft auf den Boden W des Sumpfes Z. Das angesammelte Schmiermittel ist durch die Bezugsziffer Y angezeigt und steht selbstverständlich unter dem in dem Sumpf Z vorherrschenden hohen Druck. In das Schmiermittel Y eingetaucht ist eine Einlaßeinrichtung 60 der Flüssigkeitsleitungseinrichtung 61, die an oder nahe am oberen Ende 61' mit einer Schmierbohrung 63 verbunden ist, die mittig angeordnet ist und sich longitudinal durch einen Teil der Welle 26 erstreckt, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Eine sich radial erstreckende Bohrung 65 verbindet die Bohrung 63 mit dem Außenumfang der Welle 26 und somit mit einer geeigneten Leitung 67 (siehe Fig. 3) in dem Rotor 14, die einen Strom des Schmiermittels zum Schlitz 16 gestattet, um den Flügel 18 beim Gleiten radial innerhalb des Schlitzes zu schmieren. Auch wird das Schmiermittel anderen Teilen des Verdichters zugeführt (beispielsweise den Rotorwellenlagern 28 und 28a).
• Eine Gasleckage aus dem Volumenabschnitt 36 hohen oder erhöhten Druckes zu dem Saugbereich 34 ist an dem Rotor/Statordichtbereich 40 durch die nahe tangentielle Nähe des Rotoraußendurchmessers und der gewählten Statorbohrung in diesem Bereich auf ein Minimum herabgesetzt.
• In Fig. 6 ist eine modifizierte Flügelführungsanordnung 121 gezeigt, die sich von der Anordnung 21 in zweifacher Hinsicht unterscheidet, von denen eine oder beide bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Vorschlages gewählt werden können. Insbesondere fungiert das Bauteil 120 als Innenlaufring des Wälzlagers. Die weitere Abänderung besteht darin, daß ein sich longitudinal erstreckender Leerraum oder eine Bohrung 118" in dem Flügel 118' vorgesehen ist, um den dynamischen Ausgleich der Anordnung zu erleichtern.
• Die Erfindung kann auf andere Weise als in der besonders beschriebenen abgeändert werden, die als bevorzugtes Ausführungsbeispiel, jedoch die Erfindung nicht beschränkend dargestellt ist.

Claims (2)

1. Einfachflügel-Verdichtervorrichtung, umfassend:

(a) ein Statorgehäuse (10) mit einer geraden, sich dadurch erstreckenden zylindrischen Bohrung (12), wobei die Bohrung einen vorgewählten Durchmesser, eine vorgewählte Längsachse (12') und Länge (12L) und eine allgemein durchgehende innere Oberfläche (12S) aufweist, die konzentrisch um die Längsachse (12') gekrümmt ist,

(b) eine erste und zweite Statorendplatteneinrichtung (13, 15), die an dem Gehäuse an jedem Ende der kreisförmigen Bohrung (12) befestigt ist, um innerhalb des Gehäuses einen umgebenen Raum zu definieren,

(c) eine Rotorwelle (26), die exzentrisch in der Bohrung angeordnet ist und von einer Lagereinrichtung (28, 28A) in der Endplatteneinrichtung zwecks Rotation um eine Rotorwellenachse (26') abgestützt ist, die parallel zu, jedoch in einem vorbestimmten Abstand von der Längsachse angeordnet ist,

(d) einen geraden, zylindrisch geformten Rotor (14) in der Bohrung, der an der Rotorwelle angeordnet und damit verbunden ist, um sich damit zusammen um die Rotorwellenachse zu drehen, wobei der Rotor (i) zwei Axialenden, (ii) eine Längsachse, die so gewählt ist, daß sie im wesentlichen gleich der Longitudinalerstreckung der Bohrung ist, und (iii) einen sich radial erstreckenden Schlitz (16) aufweist, der eine vorgewählte Schlitzbreite aufweist und an dem Außenumfang des Rotors endet, wobei sich der Schlitz ebenfalls longitudinal zwischen den beiden Axialenden erstreckt,

(e) erste und zweite Radialflügel-Antrifriktionsführungsanordnungen (21), wobei jede Anordnung einen äußeren Laufring (19-O) mit einem vorgewählten Durchmesser und einen inneren Laufring (19-I) aufweist, der konzentrisch und drehbar innerhalb des äußeren Laufringes angeordnet ist, wobei Antifriktionselemente (19R) zwischen dem äußeren Laufring und dem inneren Laufring angeordnet sind und wobei die erste und zweite Anordnung entsprechend in der ersten und zweiten Endplatteneinrichtung (13, 15) angeordnet sind, deren Rotationsachsen konzentrisch zu der Längsachse sind,

(f) eine Achse (22), die mit den inneren Laufringen der ersten und zweiten Anordnung verbunden ist,

(g) einen Flügel (18) mit einer im allgemeinen rechteckigen Form mit einer Longitudinallänge, die so gewählt ist, daß sie im wesentlichen gleich der Longitudinallänge des Rotors ist, eine Dicke, die vorgewählt ist, um zu gestatten, daß der Flügel gleitbar in den Rotorschlitz paßt und eine äußere Spitzenfläche aufweist, wobei der Flügel drehbar an der Achse angeordnet und innerhalb des Rotorschlitzes positioniert ist, wobei seine äußere Fläche neben der inneren Oberfläche der Bohrung in kontaktfreier, jedoch abdichtender Beziehung ist,

(h) eine Gaseinlaßeinrichtung und eine Gasauslaßeinrichtung, die an dem Gehäuse angeordnet sind,

(i) eine Saugleitung, welche in das Gehäuse von der Bohrung eingelassen und mit der Gaseinlaßeinrichtung verbunden ist,

(j) eine Auslaßleitung, die von der Bohrung in das Gehäuse eingelassen und mit der Gasauslaßeinrichtung verbunden ist, wobei die Saug- und Auslaßleitungen entsprechend an gegenüberliegenden Seiten einer Ebene positioniert sind, die von der Rotor- und der Längsachse definiert ist,

(k) eine Einrichtung zum Drehen des Rotors und

(l) eine dynamische Ausgleicheinrichtung an den inneren Laufringen der ersten und zweiten Radialflügelführungsanordnungen, wobei diese Ausgleicheinrichtung eine zusätzliche Masse an den inneren Laufringen umfäßt, wobei die Mitte dieser zusätzlichen Masse der Achse diametral entgegengesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel einen sich longitudinal erstreckenden Hohlraum aufweist, um dessen Masse zu reduzieren, ohne die Pumpfunktion zu beeinträchtigen.